FCT: DEE - Dissertações de Mestrado
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- Design and Implementation of a Framework to Detect IC Security Weaknesses and VulnerabilitiesPublication . Fernandes, Margarida Tavares; Oliveira, João Pedro Abreu deModern digital systems are built from millions of lines of hardware description code. Like software, these designs may contain vulnerabilities that compromise their reliability or security. Some of these vulnerabilities can lead to unexpected behaviour, data leakage or even complete system failure. It is critical to detect such issues early, at the Register Transfer Level (RTL), to allow them to be addressed before manufacturing, while fixes are still feasible and inexpensive. This dissertation presents a framework that automatically analyses RTL designs for known hardware weaknesses based on Common Weakness Enumeration (CWE)s. Unlike general-purpose approaches, the user specifies the particular CWE they wish to investigate and provides details about the RTL code, such as the module name and file path. The framework then determines whether the selected CWE is present in the provided RTL code. The system integrates static analysis, simulation and formal verification into a unified workflow to enable the detection of various types of weakness. The framework was de- veloped in Python and is connected to industrial-grade verification tools while remaining general and extensible by design. A comprehensive set of representative test cases was created to validate the framework. For each CWE, two RTL code samples were analysed: one containing the weakness and one not containing it. This approach allowed for a sys-tematic evaluation of the framework’s accuracy, including true and false positive/negative rates. The results demonstrate that the framework can detect most weaknesses with high precision and reliability, thereby showcasing its feasibility and industrial potential. The main contribution of this work is the development of a structured, automated methodology for CWE-based verification at the RTL. As well as improving detection coverage, the framework highlights how security and correctness checks can be embedded in the early stages of hardware design.
- VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DE UM SISTEMA PASSIVO DE FORNECIMENTO INSTANTÂNEO DE ÁGUA QUENTEPublication . Ferreira, João Miguel Fernandes; Pina, João; Teixeira, RuiA necessidade de assegurar o fornecimento instantâneo de água quente sanitária (AQS) em edifícios residenciais tem impulsionado o desenvolvimento de abordagens disruptivas que ultrapassem as limitações das soluções tradicionais, frequentemente associadas a elevados níveis de ineficiência energética. As soluções de acumulação local de calor, baseadas em baterias térmicas com materiais de mudança de fase (PCM), asseguram o fornecimento imediato de água quente sem necessidade de circuitos de recirculação. Para além do conforto, esta abordagem preserva a energia acumulada proveniente de fontes renováveis, designadamente sistemas solares térmicos e bombas de calor, ao evitar recirculação em vazio, aumentando a fração renovável útil e a eficiência global do sistema. A originalidade desta solução e a importância de comprovar o seu desempenho em diferentes cenários de utilização levaram à identificação da necessidade de validação experimental do sistema de apoio ativo, responsável por repor a carga térmica quando o carregamento passivo é insuficiente. No presente trabalho, foi desen- volvido e validado um modelo de controlo do sistema de apoio, em condições representativas de uso real. Para tal, foi utilizada uma bancada experimental capaz de representar os perfis de consumo extraídos da literatura, abrangendo eventos intensivos (como duches) e intermitentes (como lavagens rápidas). A metodologia incluiu a definição dos parâmetros de análise, a execução do plano experimental e a avaliação da resposta térmica do sistema. Adicionalmente, o trabalho contemplou a análise do algoritmo de controlo do sistema de apoio e o desenvolvimento de uma interface autónoma de teste, capaz de controlar os eventos da bancada e impor condições de ensaio baseadas em dados empíricos documentados. Os resultados permitiram avaliar a eficácia do sistema de controlo, identificar limitações em determinados perfis de utilização e propor melhorias no algoritmo de atuação.
- Extreme Spatial Multiplexing for 6G communications Near-Field Beamfocusing and the study of Spectral Efficiency in multi-user MIMO communicationPublication . Sá, Mauro Ricardo Henriques de; Guerreiro, JoãoThis thesis explores the implications of near-field propagation for communications in frequency bands above 6 GHz, focusing on spatial multiplexing and its impact on channel models, beamforming, and interference management. The rapid evolution of wireless communication technologies has been driven by the quest for higher data rates, improved spectral efficiency, and an enhanced user experience. In this context, multi-user systems have emerged as a pivotal solution, enabling the simultaneous transmission of multiple data streams to different receivers within the same frequency band, thus significantly boosting communication capacity and efficiency. With the advent of Extreme Large Aper- ture Array (ELAA) and the increasing need to operate at higher frequencies, understanding the unique characteristics of near-field propagation has become crucial for optimizing system performance in modern wireless communication networks. The study begins with a review of the current state of wireless communications, tracing the evolution from previous generations of mobile networks to modern multi-antenna systems. Fundamental concepts related to ELAA’s are introduced, along with various channel models that describe propagation in both near-field and far-field scenarios. The characteristics of beam focusing and its implications for spatial multiplexing are also explored. In the main section of the thesis, these concepts are developed further through a detailed analysis of channel models and their importance in characterizing communication systems. Special attention is given to steering vectors, which are crucial for modeling propagation in both near-field and far-field conditions, as well as the impact of different modeling approaches on system performance. The beamforming process is investigated, emphasizing the role of steering vectors in its implementation, and its evolution with the propagation distance. Additionally, interference analysis is covered extensively, focusing on the computation of interference gain and its effects on communication with ELAA systems. A thorough study on spectral efficiency evaluates how propagation characteristics influence over- all communication performance, demonstrating the potential advantages of near-field propagation in massively distributed systems. The results obtained in this thesis highlight the significant benefits of near-field prop- agation for high-frequency communications, particularly in ELAA systems. The analysis demonstrates the potential of beam focusing and its crucial role in enhancing spectral efficiency and managing interference, contributing to a deeper understanding of next- generation wireless communication systems.
- Janela Inteligente 2030: Integração de vidro eletrocrómico e machine learning Abordagem inovadora para edifícios inteligentes e sustentáveis do futuroPublication . Jorge, Ricardo Manuel Rodrigues; Tavares, Rui; Pinto, Joana; Rocha, AndréA nova era de industrialização tem impulsionado um rápido desenvolvimento tecnológico em diversas áreas, nomeadamente em aplicações para casas inteligentes e todos os seus constituintes, permitindo que vários dispositivos inteligentes, comuniquem entre si, para troca de informação e coordenação de ações. Neste contexto, o conceito de Internet of Things (IoT) revela-se fundamental, permitindo que vários dispositivos se interliguem e comuniquem de uma maneira otimizada, criando um ambiente de simbiose entre todos os dispositivos, onde todos juntos atuam como um só sistema. No caso das casas e janelas inteligentes, utilizando vários mecanismos de IoT, é agora possível construir um sistema que, através de vários sensores, capte informação do meio inserido, comunique os dados recolhidos, por meio de protocolos de comunicação, para os dispositivos controladores, que em conjunto com ações do utilizador (utilizando uma plataforma Web ou uma aplicação móvel) e mecanismos de Machine Learning (ML), comandem todo o sistema. Atualmente, é de realçar a importância da introdução de mecanismos de Inteligência Artificial (IA), nomeadamente Machine Learning, neste tipo de sistemas. Através deste tipo de tecnologias, a experiência do utilizador torna-se muito mais completa a todos os níveis, no sentido em que o aparelho utilizado evolui e se adapta à vida da pessoa, com o objetivo final de antecipar as suas ações. Por fim, neste projeto pretende-se projetar e desenvolver um sistema, nunca antes desenvolvido perante o conhecimento do autor, onde se unem três tecnologias essenciais: janela inteligente; Machine Learning; vidro eletrocrómico inteligente. Prevê-se que esta última tecnologia, cada vez mais emergente no mercado de construção sustentável e do futuro, complemente as duas anteriores, tanto a nível energético, como de conforto para o utilizador. Isto é justificado pelas próprias características do vidro, que em comunhão com o mecanismo da janela inteligente e algoritmos de Machine Learning, podem desenvolver um novo produto ideal para combater e melhorar vários problemas atuais e do futuro.
- AI Model For Early Linguistic Stage ReplicationPublication . Seabra, Bernardo Moura Gonçalves; Oliveira, Ana; Sousa, JoanaIn Portugal, approximately 1% of the population has some degree of hearing loss. In Europe, this proportion reaches nearly 20%, and worldwide it is estimated that around 5% of the population lives with disabling hearing loss. While these figures increase each year, deaf communities remain excluded and marginalised, facing persistent barriers to communicating with the general population. Although Sign Language Translation (SLT) has been regarded as a solution to mitigate this societal divergence, it poses a significant challenge in facilitating communication between the deaf and hearing communities. While numerous technological advances have helped improve Sign Language Recognition (SLR) and translation, existing solutions often lack contextual awareness and struggle with the dynamic and multimodal nature of Sign Language (SL) sentences. Considering that during the various stages of language learning, children begin producing word combinations and simple sentences, learn through their senses, and receive constant feedback from caregivers, our goal is to transfer this knowledge to a Continuous Sign Language Translation (CSLT) framework. We developed a multimodal system that leverages MediaPipe landmarks and Deep Learning (DL) architectures, particularly the Transformer model, while applying language learning principles to improve the quality and fluency of CSLT. Our final model achieved a BLEU-4 score of 10.38 on the PHOENIX-2014T dataset, and the proposed approach enabled us to obtain an interpretable architecture, allowing for the visualisation and better understanding of the attention given to each body part during the CSLT task, contributing to the field of explainable AI. The framework developed shows promising results with potential applications in other domains, including Natural Language Processing (NLP), and can be adapted to various sign languages, such as Portuguese Sign Language (LGP), contributing to more inclusive societies for the deaf community.
- Simulação de Sistemas de Fornecimento de Energia em Terra (OPS) e o seu Impacto nas Redes Elétricas LocaisPublication . Sousa, Gonçalo Miguel Paraíso Bernardes; Amaro, NunoA pressão ambiental com vista à neutralidade carbónica tem impulsionado a procura por soluções tecnológicas sustentáveis. No caso dos navios, quando atracados, mantêm os moto- res auxiliares ligados, emitindo gases com efeito de estufa (GEE) o que afeta negativamente a qualidade do ar nas zonas portuárias. Neste contexto, os sistemas de fornecimento de energia em terra ( Onshore Power Supply – OPS) surgem como uma solução para os navios durante a atracagem, substituindo o uso de combustíveis fósseis por energia elétrica. A abordagem proposta neste trabalho inclui a modelação de conversores de frequência, transformadores e sistemas de controlo, com o intuito de avaliar o impacto do OPS na estabi- lidade e qualidade da rede elétrica local, bem como determinar a capacidade necessária para alimentar simultaneamente diferentes tipos de navios. Os resultados obtidos, no modelo cri- ado, demonstraram que o sistema OPS garante níveis adequados de estabilidade e qualidade de energia, assegurando a operação simultânea de diferentes embarcações sem comprometer a rede elétrica local. Foi igualmente desenvolvida uma rotina para o cálculo de emissões e possíveis custos e elaborado um estudo económico, o qual apresentou um break-even num intervalo entre [18, 40] anos, em função de uma taxa OPS.
- Sistema de Monitorização da Qualidade do Ar Interior com Integração em Plataforma Low-CodePublication . Gil, Joana Filipa Marques; Moutinho, FilipeA Qualidade do Ar Interior (QAI) é uma temática cada vez mais relevante nos dias que correm, dado o impacto que a poluição atmosférica é para a saúde, associada a infeções respiratórias, doenças cardiovasculares e alterações no foro cognitivo. Têm-se observado mudanças nos hábitos quotidianos derivados de estilos de vida mais modernos e seden- tários resultando numa permanência cada vez maior em ambientes interiores. Torna-se, portanto, essencial analisar e monitorizar a qualidade de ar destes ambientes fechados, mais limitados a nível de renovação do ar e dependentes de sistemas de ventilação. Considerando este objetivo, foi desenvolvido um sistema de monitorização de alguns fatores ambientais impactantes na qualidade de ar, nomeadamente temperatura, humidade relativa e material particulado, como PM1.0, PM2.5 e PM10. O sistema é composto por um dispositivo de aquisição de dados sensoriais e uma aplicação desenvolvida na plataforma low code Blynk. O dispositivo de aquisição de dados recorre a sensores de baixo custo para efetuar medições em tempo-real ligados a um microcontrolador, que por sua vez, as comunica com um servidor na cloud através da Internet, utilizando uma ligação Wi-Fi ao router. Deste modo, o utilizador consegue visualizar a informação no momento e até uma semana. A aplicação emite alertas ao utilizador quando os fatores ambientais se encontram a níveis desaconselhados, via notificações de telemóvel.
- Análise de métodos de partilha de energia Peer-to-Peer em Comunidades de EnergiaPublication . Sousa, Tiago Miguel Amaral de; Martins, JoãoA presente dissertação analisa a troca de energia peer-to-peer numa comunidade de energia composta por vinte habitações, das quais doze dispõem de produção fotovoltaica. O estudo centra-se na criação de diferentes mecanismos de partilha dos excedentes energéticos comparando os resultados obtidos com as condições oferecidas pela rede elétrica convencional. Foram desenvolvidos cinco métodos de troca de energia: I. Atribuição de prioridade de venda às habitações com maior excedente e de compra às com maior défice. II. Comercialização do excedente agregado da comunidade (em vez de cada habitação vender individualmente), a um preço ponderado calculado hora a hora. III. Aplicação de um algoritmo genético com o objetivo de maximizar o lucro dos vendedores, mantendo, contudo, a competitividade no mercado. IV. Introdução de um mecanismo de leilão, tanto na venda (para determinar a ordem dos vendedores) como na compra (em função da oferta apresentada por cada habitação, da mais elevada para a mais baixa). V. Utilização do excedente comunitário: nas horas em que este supera o défice total, segue-se a lógica do segundo método; nas horas em que o défice é superior, aplica-se o mecanismo de leilão na compra. Posteriormente, foi introduzido armazenamento energético em três das doze habitações com produção fotovoltaica, de forma a avaliar os benefícios obtidos para a comunidade. Considerou-se ainda a implementação de armazenamento comunitário, analisando se esta solução traz mais vantagens globais à comunidade do que o armazenamento individual. Por fim, foram analisados os benefícios económicos decorrentes dos diferentes métodos de troca de energia, bem como da introdução de armazenamento energético.
- Encaminhamento por DRL com críticos centrais e locais: impacto das GNNs em cenários dinâmicosPublication . Raimundo, Diogo Lopes; Amaral, PedroAs redes modernas apresentam um dinamismo crescente e uma complexidade que desafiam as abordagens tradicionais de encaminhamento. Os algoritmos convencionais, como o shortest path, mostram-se limitados na otimização global do tráfego e na gestão eficiente dos recursos da rede. Neste contexto, o Deep Reinforcement Learning (DRL) surge como uma abordagem promissora, capaz de aprender políticas de encaminhamento adaptativas a partir da experiência direta com o ambiente. Este trabalho propõe um sistema baseado no algoritmo Multi Agent Deep Deterministic Policy Gradient (MADDPG), com arquiteturas de críticos centralizados e locais, bem como a integração de Graph Neural Networks (GNNs) para reforçar a generalização topológica. A avaliação foi realizada numa topologia realista de um Service Provider, em cenários que incluíram falhas críticas e variações de tráfego. Os resultados demonstraram que o DRL supera consistentemente o Shortest Path, o que resulta numa maior eficiência na utilização da rede e menores perdas de pacotes. A arquitetura Simple Q Network destacou-se pela sua adaptabilidade em cenários dinâmicos quando não foi utilizada Graph Neural Network (GNN); em contraste, com a sua integração, as arquiteturas Duelling beneficiaram substancialmente, com o Local Critic a aproximar-se do desempenho centralizado. Contudo, observou-se, que a reaprendizagem contínua com GNN pode introduzir alguma rigidez, limitando a adaptação em certos cenários. Em síntese, o estudo confirma o potencial do DRL, em combinação com GNNs e abor- dagens multi-agent, como solução escalável, adaptativa e resiliente para o encaminhamento em redes modernas.
- MOTION PLANNING FOR A TRACTOR-TRAILER SYSTEM IN SMART AGRICULTUREPublication . Pedreira, Tomás Alexandre Dias; Peres, Ricardo; Costa, AlexandreOver the years, the world of technology has been expanding in every possible field, and agriculture is no exception. The use of technology in Smart Agriculture has been increasing, with Internet of Things networks, Artificial Intelligence systems for management and forecasting, and robotics to automate processes, performing repetitive jobs humans would rather not do, such as applying pesticides, harvesting products, and evaluating the state of the fields, as well as tasks humans cannot easily accomplish, like surveilling large fields. These developments not only facilitate tasks but also address ongoing challenges in the agricultural sector, including the shortage of young people willing to undertake demanding fieldwork and the growing global population, which will heighten the demand for food production. This task is inherently challenging, and the addition of a trailer to the system increases the complexity, as the trailer’s dynamics must be accounted for. The tractor-trailer system was chosen, despite its complexity and limited documentation, due to its modularity, enabling independent operation and reusability. This thesis presents the development of a tractor-trailer robotic system capable of autonomously navigating through a field. It includes a review of robotic applications in Smart Agriculture and an exploration of popular robot path planning methods like the Voronoi Graph, A* grid search along with others. This work also reviews several control methods including Dynamic Window Approach, Pure Pursuit, and Model Predictive Control. The selected methods implemented and tested were the Voronoi Graph combined with the Hybrid A* algorithm for path planning and the Pure Pursuit controller for trajectory tracking. The system was architected with hardware components, custom planner and controller plugins in ROS2 and NAV2 stack and collision detection mechanisms. Tests conducted in simulation and real-world environments evaluated path tracking in direct, obstructed, and recovery scenarios, as well as obstacle detection, demonstrating the system’s effectiveness in navigation and safety while highlighting areas for improvement.